FR3142843A1 - Empilement pour pile à combustible, électrolyseur, humidificateur ou échangeur à plaques - Google Patents

Empilement pour pile à combustible, électrolyseur, humidificateur ou échangeur à plaques Download PDF

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Johan Andre
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

L’invention concerne empilement (1) comportant : une pluralité de cellules (2), empilées selon un axe dans lequel s'étend l'empilement ;une première plaque d’extrémité (3) ;une deuxième plaque d’extrémité (4) ;au moins un tirant (6) pour maintenir un effort de serrage, l’une de la première plaque d’extrémité (3) et de la deuxième plaque d’extrémité (4) comportant une zone de serrage (5) comportant une première portion de plaque (7) ; une deuxième portion de plaque (8) ; un évidement (9) interposé entre la première portion de plaque (7) et la deuxième portion de plaque (8). Figure d’abrégé : Fig. 1

Description

Empilement pour pile à combustible, électrolyseur, humidificateur ou échangeur à plaques
La présente invention porte sur un empilement pour pile à combustible, électrolyseur, humidificateur ou échangeur à plaques.
De façon connue en soi, un empilement de pile à combustible, d’électrolyseur, d’humidificateur ou d’échangeur à plaques comporte une pluralité de cellules, une première plaque d’extrémité et une deuxième plaque d’extrémité, les cellules étant montées entre les première et deuxième plaques d’extrémité. La première plaque d’extrémité et la deuxième plaque d’extrémité comportent chacune une face interne du côté d’une cellule de la pluralité de cellules, et une face externe située à l’extérieur de l’empilement.
Au moins une des cellules de l’empilement comporte une surface active pour servir de zone de réaction ou de zone d’échange de chaleur ou de zone d’échange d’humidité. Cette surface active est généralement située au centre de la cellule, le centre étant considéré dans un plan orthogonal à l’axe dans lequel s’étend l’empilement.
La cellule comporte en outre au moins un collecteur d’entrée ou de sortie d’un fluide, le collecteur étant formé au travers de la cellule et à l’extérieur de la surface active, c’est-à-dire sur le bord extérieur de la cellule, le bord extérieur étant considéré dans un plan orthogonal à l’axe dans lequel s’étend l’empilement.
Une pile à combustible constitue un bon exemple de mise en œuvre d’un tel empilement. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, généralement du dihydrogène, et d'un comburant, généralement du dioxygène ou un gaz en contenant tel que l'air, le produit de la réaction étant l'eau accompagnée d'un dégagement de chaleur et d'une production d'électricité. Une telle pile à combustible peut par exemple être utilisée pour assurer la traction d'un véhicule automobile par l'alimentation des dispositifs électriques contenus dans un véhicule.
Chaque cellule de l’empilement comporte une plaque anodique et une plaque cathodique prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (AME).
Au moins l’une des extrémités de l’empilement comporte une tuyauterie pour la circulation des fluides réactifs (air ou hydrogène) et/ou pour la circulation du fluide (souvent un liquide) de refroidissement.
Pour permettre le serrage de l’empilement par les première et deuxième plaques d’extrémité, des tirants sont agencés de sorte à maintenir les cellules les unes sur les autres. Les tirants sont souvent sous la forme d’une tige cylindrique ou filetée par exemple montée solidaire d’une des plaques d’extrémité et coulissante vis-à-vis de l’autre des plaques d’extrémité.
Ainsi, la pluralité de cellules peut se dilater par l’effet de la chaleur ou de la pression, tout en étant maintenue serrée par l’effort qu’exerce les tirants sur les première et deuxième plaques d’extrémité.
Cette solution n’est pas optimale car la face interne d’au moins une de la première et de la deuxième plaque d’extrémité se déforme par flexion, lors du serrage de l’empilement par les tirants. Une telle déformation par flexion peut engendrer une dégradation d’au moins une des cellules. En outre, l’effort de serrage appliqué par la plaque d’extrémité se retrouve principalement au niveau des collecteurs plutôt qu’au niveau de la surface active.
La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un empilement pour pile à combustible, électrolyseur, humidificateur ou échangeur à plaques, comportant :
  • une pluralité de cellules, empilées selon un axe dans lequel s'étend l'empilement ;
  • une première plaque d’extrémité ;
  • une deuxième plaque d’extrémité, la pluralité de cellules étant serrée entre la première plaque d’extrémité et la deuxième plaque d’extrémité ;
  • au moins un tirant s’étendant selon l’axe et étant agencé pour maintenir un effort de serrage entre la première plaque d’extrémité et la deuxième plaque d’extrémité, au moins l’une de la première plaque d’extrémité et de la deuxième plaque d’extrémité comportant au moins une zone de serrage, le tirant pénétrant la première plaque d’extrémité et la deuxième plaque d’extrémité ; la zone de serrage comportant successivement, dans le sens de l’axe et dans la direction allant de la pluralité de cellules vers l’extérieur de l’empilement :
    • une première portion de plaque comportant un premier trou traversant pour permettre le passage du tirant à travers la première portion de plaque ;
    • une deuxième portion de plaque comportant un deuxième trou pour recevoir le tirant ;
    • un évidement interposé entre la première portion de plaque et la deuxième portion de plaque, l’évidement comportant une embouchure débouchant à l’extérieur de la première plaque d’extrémité ou à l’extérieur de la deuxième plaque d’extrémité, le tirant traversant l’évidement pour passer du premier trou traversant dans le deuxième trou, l’évidement ménageant un espace recevant par exemple un fluide ou un matériau compressible pour autoriser un déplacement de la deuxième portion de plaque relativement à la première portion de plaque, notamment par flexion ou par déformation élastique de la deuxième portion de plaque.
Ceci permet un serrage optimisé de l’empilement en évitant la déformation, notamment par flexion, de la face interne de la première et/ou de la deuxième plaque d’extrémité. L’invention permet ainsi de concentrer l’effort de serrage au niveau de la surface active des cellules plutôt qu’au niveau des collecteurs. Il est ainsi possible de fournir un empilement dont au moins une de la première et de la deuxième plaque d’extrémité applique une force de serrage par écrasement des cellules de l’empilement sans que la plaque d’extrémité subisse une déformation par flexion au niveau de sa face interne.
Selon une réalisation, l’une de la première plaque d’extrémité et de la deuxième plaque d’extrémité comporte au moins quatre zone de serrage, notamment disposées dans les coins.
Selon une réalisation, l’évidement ménage un espace recevant de l’air.
Selon une réalisation, le premier trou traversant comporte une encoche débouchant par exemple sur le bord latéral de la première portion de plaque.
Selon une réalisation, le deuxième trou comporte une encoche débouchant par exemple sur le bord latéral de la deuxième portion de plaque.
Selon une réalisation, l’empilement comporte un organe de compensation pour compenser l’effet de la dilatation d’au moins une des cellules, l’organe de compensation étant notamment monté autour du tirant, par exemple entre la première plaque d’extrémité et une butée d’arrêt ou entre la deuxième plaque d’extrémité et une butée d’arrêt.
Ceci permet de compenser le changement dimensionnel des cellules de l’empilement, en particulier la dilatation des cellules à cause de la chaleur.
Selon une réalisation, l’organe de compensation comporte une rondelle par exemple une rondelle élastique telle qu’une rondelle Belleville.
Selon une réalisation, l’organe de compensation comporte un ressort, par exemple un ressort hélicoïdal.
Selon une réalisation, l’organe de compensation comporte un écrou de serrage.
Selon une réalisation, l’organe de compensation est distinct de la zone de serrage.
Selon une réalisation, l’organe de compensation est configuré pour ajouter une raideur prédéterminée à la raideur de la zone de serrage.
Selon une réalisation, le deuxième trou est traversant et est configuré pour permettre le passage du tirant au travers de la deuxième portion de plaque.
En variante, le deuxième trou est borgne notamment taraudé, pour recevoir le tirant.
Selon une réalisation, le premier trou traversant débouche par une de ses extrémités du côté de la pluralité de cellules et par l’autre de ses extrémités dans l’évidement.
Selon une réalisation, le deuxième trou débouche dans l’évidement.
Selon une réalisation, le tirant est agencé pour maintenir un effort de serrage entre la première plaque d’extrémité et la deuxième plaque d’extrémité en traversant au moins l’un du premier trou traversant et du deuxième trou sans traverser l’embouchure.
Selon une réalisation, la première portion de plaque comporte une première extrémité libre.
Selon une réalisation, la deuxième portion de plaque comporte une deuxième extrémité libre.
Selon une réalisation, l’embouchure débouche au niveau de la première extrémité libre et de la deuxième extrémité libre.
Selon une réalisation, l’évidement est configuré pour autoriser un déplacement de la deuxième portion de plaque relativement à la première portion de plaque sans que la deuxième portion de plaque vienne en contact avec la première portion de plaque au niveau de l’embouchure, lorsque le tirant applique un effort de serrage prédéterminé.
Selon une réalisation, l’espace est configuré pour permettre à la deuxième portion de plaque de venir en butée sur la première portion de plaque lorsque la force appliquée par la pluralité de cellules sur les plaques d’extrémité dépasse un seuil prédéterminé.
Selon une réalisation, la première plaque d’extrémité comporte une plaque inférieure, une plaque intermédiaire et une plaque supérieure, la plaque intermédiaire étant solidaire de la plaque inférieure et de la plaque supérieure.
Selon une réalisation, la plaque intermédiaire est monobloc avec au moins l’une de la plaque inférieure et de la plaque supérieure.
Selon une réalisation, la plaque inférieure est disposée du côté de la pluralité de cellules.
Selon une réalisation, la plaque supérieure est disposée du côté opposé à la plaque inférieure.
Selon une réalisation, la plaque supérieure est en aluminium ou en acier.
Selon une réalisation, la plaque inférieure est en aluminium ou en plastique ou en matériau composite.
Selon une réalisation, la plaque intermédiaire comporte une surface sensiblement égale à la surface active. 
Selon une réalisation, la raideur de l’organe de compensation est supérieure à la raideur de la zone de serrage.
Selon une réalisation, l’évidement s’étend au moins partiellement selon un plan orthogonal à l’axe.
Selon une réalisation, la première plaque d’extrémité et la deuxième plaque d’extrémité comportent chacune au moins une zone de serrage.
L’invention concerne en outre une pile à combustible ou électrolyseur ou humidificateur ou échangeur à plaques, comportant un empilement tel que décrit ci-dessus.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La est une représentation schématique et en coupe, d’un empilement selon l’invention ;
la est une représentation schématique et en élévation d’une première plaque d’extrémité de l’empilement de la .
la est une représentation schématique et en coupe d’un premier mode de réalisation d’une zone de serrage.
la est une représentation schématique et en coupe d’un deuxième mode de réalisation d’une zone de serrage.
la est une représentation schématique et en coupe d’un troisième mode de réalisation d’une zone de serrage.
En référence à la , on a représenté un empilement 1 pour pile à combustible, électrolyseur, humidificateur ou échangeur à plaques.
L’empilement 1 comporte :
  • une pluralité de cellules 2, empilées selon un axe dans lequel s'étend l'empilement ;
  • une première plaque d’extrémité 3 ;
  • une deuxième plaque d’extrémité 4, la pluralité de cellules 2 étant serrée entre la première plaque d’extrémité 3 et la deuxième plaque d’extrémité 4 ;
  • au moins un tirant 6 s’étendant selon l’axe et étant agencé pour maintenir un effort de serrage entre la première plaque d’extrémité 3 et la deuxième plaque d’extrémité 4.
Comme représenté à la , la première plaque d’extrémité 3 comporte une pluralité de zones de serrage 5, le tirant 6 pénétrant la première plaque d’extrémité 3 et la deuxième plaque d’extrémité 4.
Chaque zone de serrage 5 comporte successivement, dans le sens de l’axe et dans la direction allant de la pluralité de cellules 2 vers l’extérieur de l’empilement 1 :
  • une première portion de plaque 7 comportant un premier trou traversant pour permettre le passage du tirant 6 à travers la première portion de plaque 7 ;
  • une deuxième portion de plaque 8 comportant un deuxième trou pour recevoir le tirant 6 ;
  • un évidement 9 interposé entre la première portion de plaque 7 et la deuxième portion de plaque 8.
L’évidement 9 comporte une embouchure débouchant à l’extérieur de la première plaque d’extrémité 3.
Le tirant 6 traverse l’évidement 9 pour passer du premier trou traversant dans le deuxième trou.
L’évidement 9 ménage un espace, recevant par exemple un fluide (par exemple de l’air) et/ou un matériau compressible (par exemple une mousse), pour autoriser un déplacement de la deuxième portion de plaque 8 relativement à la première portion de plaque 7, notamment par flexion ou par déformation élastique de la deuxième portion de plaque 8.
Dans l’exemple représenté, le deuxième trou est borgne, notamment taraudé, pour recevoir le tirant 6 sans que le tirant 6 traverse la deuxième portion de plaque 8.
En variante, le deuxième trou peut être traversant et configuré pour permettre le passage du tirant 6 au travers de la deuxième portion de plaque 8. Dans ce cas, un écrou est vissé à l’extrémité du tirant qui dépasse de la première plaque d’extrémité 3.
Le premier trou traversant débouche par une de ses extrémités du côté de la pluralité de cellules 2 et par l’autre de ses extrémités dans l’évidement 9. Le deuxième trou débouche dans l’évidement 9. Ainsi, le premier trou traversant et le deuxième trou traversant ne débouchent pas directement l’un dans l’autre, l’évidement 9 étant interposé entre la première portion de plaque 7 et la deuxième portion de plaque 8. En d’autres termes, lorsque le tirant 6 s’étend selon l’axe et qu’il est agencé pour maintenir un effort de serrage entre la première plaque d’extrémité 3 et la deuxième plaque d’extrémité 4, l’évidement 9 s’étend au moins partiellement dans un plan coupant le tirant 6.
Le tirant 6 est agencé pour maintenir un effort de serrage entre la première plaque d’extrémité 3 et la deuxième plaque d’extrémité 4 en traversant le premier trou traversant sans traverser l’embouchure.
Dans l’exemple représenté, l'empilement comporte un organe de compensation 10 pour compenser l’effet de la dilatation d’au moins une des cellules. L’organe de compensation est par exemple monté autour du tirant 6, entre la deuxième portion de plaque 8 et une butée d’arrêt. Dans l’exemple de la , la butée d’arrêt peut être l’écrou.
Le diamètre du deuxième trou peut être supérieur au diamètre du premier trou traversant. Ceci permet à la deuxième portion de plaque 8 d’avoir une plus grande liberté dans le mouvement de flexion.
La première portion de plaque 7 comporte une première extrémité libre.
La deuxième portion de plaque 8 comporte une deuxième extrémité libre.
L’embouchure débouche au niveau de la première extrémité libre et de la deuxième extrémité libre.
L’évidement 9 est configuré pour autoriser un déplacement de la deuxième portion de plaque 8 relativement à la première portion de plaque 7 sans que la deuxième portion de plaque 8 vienne en contact avec la première portion de plaque 7 au niveau de l’embouchure, lorsque le tirant 6 applique un effort de serrage prédéterminé.
L’épaisseur de l’évidement 9 est au moins égale à 1/20èmede l’épaisseur de la première portion de plaque 7 ou au moins égale à 1/20èmede l’épaisseur de la deuxième portion de plaque 8, les épaisseurs étant mesurées dans le sens de l’axe au niveau du premier trou traversant.
Comme représenté à la , la première plaque d’extrémité 3 comporte six zones de serrage 5. La première plaque d’extrémité 3 est rectangulaire et l’évidement 9 est réalisé sous la forme d’une rainure ménagée dans l’épaisseur de la première plaque d’extrémité 3. La rainure est ménagée sur tout le pourtour de la première plaque d’extrémité 3. La profondeur de la rainure est comprise entre 2 et 3 fois le diamètre du premier trou traversant.
Comme représenté sur les figures 2 à 5, la première plaque d’extrémité 3 comporte une plaque inférieure 13, une plaque intermédiaire 12 et une plaque supérieure 11.
La plaque intermédiaire 12 peut être solidaire de la plaque inférieure 13 et de la plaque supérieure 11. La plaque intermédiaire 12 peut comporter un matériau distinct de la plaque supérieure 11 et/ou de la plaque inférieure 13.
La plaque intermédiaire 12 peut être monobloc avec au moins l’une de la plaque inférieure 13 et de la plaque supérieure 11.
En variante la plaque intermédiaire 12 peut être interposée entre la plaque inférieure 13 et la plaque supérieure 11, en étant montée serrée par les tirants 6. Une mortaise peut être ménagée sur la face interne d’au moins l’une de la plaque supérieure 11 et de la plaque inférieure 13, pour permettre le maintien de la plaque intermédiaire 12.
Dans l’exemple représenté à la , l’évidement 9 s’étend dans un plan orthogonal à l’axe et l’embouchure débouche à l’extérieur de la première plaque d’extrémité 3, via le bord latéral de la première plaque d’extrémité 3, c’est-à-dire dans l’épaisseur de la première plaque d’extrémité 3.
Dans l’exemple représenté à la , l’évidement 9 s’étend partiellement dans un plan orthogonal à l’axe, notamment au niveau du passage du tirant 6. L’évidement 9 forme en outre un coude dans l’épaisseur de la première plaque d’extrémité 3 de sorte que l’embouchure débouche à l’extérieur de la première plaque d’extrémité 3, via la face extérieure de la première plaque d’extrémité 3. Plus précisément, l’embouchure débouche entre le bord latéral de la première plaque d’extrémité 3 et le deuxième trou.
Dans l’exemple représenté à la , l’évidement 9 s’étend partiellement dans un plan orthogonal à l’axe, notamment au niveau du passage du tirant 6. L’évidement 9 forme en outre un coude dans l’épaisseur de la première plaque d’extrémité 3 en formant un surface d’appui pour permettre à la deuxième portion de plaque 8 de venir en butée contre la première portion de plaque 7 si la déformation de la deuxième portion de plaque 8 dépasse un seuil prédéterminé.
Dans un exemple de réalisation, au moins l’une des extrémités de l’empilement comporte une tuyauterie pour la circulation d’un fluide réactif et/ou pour la circulation d’un fluide de refroidissement. La tuyauterie peut comporter un raccord élastique au niveau d’une zone de serrage 5. Ceci permet à la tuyauterie de se déformer lorsque la deuxième portion de plaque 8 se déforme.

Claims (10)

  1. Empilement (1) pour pile à combustible, électrolyseur, humidificateur ou échangeur à plaques, comportant :
    • une pluralité de cellules (2), empilées selon un axe dans lequel s'étend l'empilement ;
    • une première plaque d’extrémité (3) ;
    • une deuxième plaque d’extrémité (4), la pluralité de cellules (2) étant serrée entre la première plaque d’extrémité (3) et la deuxième plaque d’extrémité (4) ;
    • au moins un tirant (6) s’étendant selon l’axe et étant agencé pour maintenir un effort de serrage entre la première plaque d’extrémité (3) et la deuxième plaque d’extrémité (4), au moins l’une de la première plaque d’extrémité (3) et de la deuxième plaque d’extrémité (4) comportant au moins une zone de serrage (5), le tirant (6) pénétrant la première plaque d’extrémité (3) et la deuxième plaque d’extrémité ; la zone de serrage (5) comportant successivement, dans le sens de l’axe et dans la direction allant de la pluralité de cellules (2) vers l’extérieur de l’empilement (1) :
      • une première portion de plaque (7) comportant un premier trou traversant pour permettre le passage du tirant (6) à travers la première portion de plaque (7) ;
      • une deuxième portion de plaque (8) comportant un deuxième trou pour recevoir le tirant (6) ;
      • un évidement (9) interposé entre la première portion de plaque (7) et la deuxième portion de plaque (8), l’évidement (9) comportant une embouchure débouchant à l’extérieur de la première plaque d’extrémité (3) ou à l’extérieur de la deuxième plaque d’extrémité (4), le tirant traversant l’évidement (9) pour passer du premier trou traversant dans le deuxième trou, l’évidement (9) ménageant un espace recevant par exemple un fluide ou un matériau compressible pour autoriser un déplacement de la deuxième portion de plaque (8) relativement à la première portion de plaque (7), notamment par flexion ou par déformation élastique de la deuxième portion de plaque (8).
  2. Empilement (1) selon la revendication précédente, comportant un organe de compensation pour compenser l’effet de la dilatation d’au moins une des cellules, l’organe de compensation étant notamment monté autour du tirant (6), par exemple entre la première plaque d’extrémité (3) et une butée d’arrêt ou entre la deuxième plaque d’extrémité (4) et une butée d’arrêt.
  3. Empilement (1) selon l’une des revendications précédentes, le deuxième trou étant traversant et configuré pour permettre le passage du tirant (6) au travers de la deuxième portion de plaque (8) ou le deuxième trou étant borgne notamment taraudé, pour recevoir le tirant (6).
  4. Empilement (1) selon l’une des revendications précédentes, le premier trou traversant débouchant par une de ses extrémités du côté de la pluralité de cellules et par l’autre de ses extrémités dans l’évidement (9).
  5. Empilement selon l’une des revendications précédentes, le deuxième trou débouchant dans l’évidement (9).
  6. Empilement (1) selon l’une des revendications précédentes, le tirant (6) étant agencé pour maintenir un effort de serrage entre la première plaque d’extrémité (3) et la deuxième plaque d’extrémité (4) en traversant au moins l’un du premier trou traversant et du deuxième trou sans traverser l’embouchure.
  7. Empilement (1) selon l’une des revendications précédentes, la première portion de plaque (7) comportant une première extrémité libre, la deuxième portion de plaque (8) comportant une deuxième extrémité libre, l’embouchure débouchant au niveau de la première extrémité libre et de la deuxième extrémité libre.
  8. Empilement (1) selon l’une des revendications précédentes, l’évidement (9) étant configuré pour autoriser un déplacement de la deuxième portion de plaque (8) relativement à la première portion de plaque (7) sans que la deuxième portion de plaque (8) vienne en contact avec la première portion de plaque (7) au niveau de l’embouchure, lorsque le tirant (6) applique un effort de serrage prédéterminé.
  9. Empilement (1) selon l’une des revendications précédentes, la première plaque d’extrémité (3) comportant une plaque inférieure, une plaque intermédiaire et une plaque supérieure, la plaque intermédiaire étant solidaire de la plaque inférieure et de la plaque supérieure, la plaque intermédiaire étant notamment monobloc avec au moins l’une de la plaque inférieure et de la plaque supérieure.
  10. Pile à combustible ou électrolyseur ou humidificateur ou échangeur à plaques, comportant un empilement (1) selon l’une des revendications précédentes.
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